DE19938154C2 - Method for producing a rod-shaped spacer - Google Patents

Method for producing a rod-shaped spacer

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabförmigen Abstandelementes aus Glaskeramik.The invention relates to a method for producing a rod-shaped Spacer made of glass ceramic.

In optischen und/oder feinmechanischen Anwendungen werden sehr oft Baukastensysteme eingesetzt, deren einzelne Komponenten zu einem Gesamtaufbau zusammengesetzt werden. Derartige Systeme sind zum einen sehr flexibel und zum anderen kostengünstig.In optical and / or precision mechanical applications are very often Modular systems used, the individual components into one Overall structure can be put together. Such systems are, on the one hand very flexible and secondly inexpensive.

Ein Beispiel für ein Baukastensystem mit optischen Komponenten ist ein Mikrobank-System, wie es beispielsweise von der Firma Spindler & Hoyer, Göttingen hergestellt wird. Die einzelnen Komponenten des Systems werden mittels Abstandselementen gehalten bzw. miteinander verbunden. Als Materialien für diese Abstandselemente wurden bislang zumeist Edelstahl oder Aluminium eingesetzt. Die Fixierung der einzelnen Komponenten erfolgte an den Abstandselementen bevorzugt mittels Schrauben.An example of a modular system with optical components is a Microbench system, such as that from Spindler & Hoyer, Göttingen is manufactured. The individual components of the system are held by means of spacers or connected to each other. As Until now, materials for these spacers have mostly been stainless steel or aluminum used. The individual components were fixed on the spacers preferably by means of screws.

Aus der DE 42 30 748 A1 ist für ein Laserinterferometer die Verwendung eines Werkstoffes mit niedrigem Ausdehnungskoeffizient, beispielsweise die Glaskeramik Zerodur oder CFK-Verbundwerkstoff, zumindest für die Regelstrecke bekanntgeworden.DE 42 30 748 A1 describes the use of a laser interferometer Material with a low coefficient of expansion, such as the Zerodur glass ceramic or CFRP composite material, at least for that Controlled system became known.

Die DE 30 33 103 C2 zeigt bei einem Meßsystem zur Messung der Quer- und Längsausdehnung eines Werkstückes, insbesondere einer Eisenbahnschiene die Verwendung von Materialien mit geringer Wärmeausdehnung, wie zum Beispiel einer Glaskeramik.DE 30 33 103 C2 shows in a measuring system for measuring the transverse and Longitudinal expansion of a workpiece, especially a railroad track the use of materials with low thermal expansion, such as Example of a glass ceramic.

Aus der DE 197 33 490 C1 sowie der DE 197 30 741 C1 ist die Verwendung von Glaskeramikmaterial zur Fassung von optischen Elementen bekanntgeworden. From DE 197 33 490 C1 and DE 197 30 741 C1 the use of Glass ceramic material for mounting optical elements have become known.  

Aus der DE 197 12 432 A1 ist eine Lagerbaugruppe bekanntgeworden, bei der eine Glaskeramik eingesetzt wird und ein Lagerspalt kleiner 2 µm realisiert werden kann.From DE 197 12 432 A1 a bearing assembly has become known in which a glass ceramic is used and a bearing gap smaller than 2 µm is realized can be.

Nachteilig am Stand der Technik war, daß Glaskeramiken wegen fehlender Bearbeitungstechniken als stabförmige Abstandselemente für Präzisionsfixierungen in optischen Baukastensystemen keine Verwendung fanden.A disadvantage of the prior art was that glass ceramics were missing Machining techniques as rod-shaped spacers for Precision fixings in modular optical systems are not used found.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung eines Abstandselementes anzugeben, das zum einen eine ausreichende Temperaturinvarianz für eine Präzisionsfixierung aufweist, und andererseits eine Fixierung der Einzelkomponenten ermöglicht.The object of the invention is therefore to provide a method for producing a Specify spacer element, which is sufficient Has temperature invariance for a precision fixation, and on the other hand the individual components can be fixed.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren zur Herstellung eines stabförmigen Abstandselementes aus Glaskeramik, insbesondere Zerodur, mit einer Wärmeausdehnung < 5 × 10-6 K-1 für eine Haltevorrichtung für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten folgende Schritte umfaßt:
According to the invention, the object is achieved in that the method for producing a rod-shaped spacer made of glass ceramic, in particular Zerodur, with a thermal expansion of <5 × 10 -6 K -1 for a holding device for components of optical and / or precision mechanical structures comprises the following steps:

  • - Ausbohren der Abstandselemente aus einem Glaskeramikblock- Drilling out the spacer elements from a glass ceramic block
  • - Einspannen der ausgebohrten Abstandselemente in eine Rundiermaschine, wobei eine Fixierung des eingespannten Gegenstandes von beiden Enden her spitzenlos erfolgt, derart, daß ein Abdrehen auf Maß mit einer Genauigkeit < 50 µm, insbesondere < 10 µm möglich ist,- Clamping the drilled spacers in a Rounding machine, with a fixation of the clamped Object is made from both ends without a tip, such that a Calibrate to measure with an accuracy of <50 µm, especially <10 µm is possible,
  • - Ablängen des Abstandselementes und Facettierung seiner Enden.- Cutting the spacer and faceting its ends.

Bei diesem Verfahren ist der Verfahrensschritt des Einspannens der ausgebohrten Stäbe von ganz entscheidender Bedeutung, da nur eine derartige Einspannung, bei der die Fixierung von beiden Stabenden her spitzenlos erfolgt, ein Abdrehen auf das geforderte Maß mit einer Genauigkeit < 50 µm bzw. in einer besonders bevorzugten Ausführungsform < 10 µm, ermöglicht.In this method, the step of clamping is the drilled rods of vital importance since only one such clamping, in which the fixation from both rod ends centerless, turning to the required size with accuracy  <50 µm or, in a particularly preferred embodiment, <10 µm, enables.

In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Material eine Glaskeramik, insbesondere Zerodur (Markenbezeichnung der Firma Schott Glas, Mainz) ist.In a first embodiment it is provided that the material is a Glass ceramics, in particular Zerodur (brand name of Schott Glas, Mainz).

Besonders bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Abstandselemente in Systemen für optische und/oder feinmechanischen Aufbauten eingesetzt. Insbesondere handelt es sich bei den Systemen um sogenannte Mikrobanksystembaukästen, die bei Verwendung von nur wenigen Grundkomponenten einen sehr variablen und flexiblen optischen Aufbau zulassen.The spacer elements according to the invention are particularly preferred in Systems used for optical and / or precision mechanical structures. In particular, the systems are so-called Microbench system kits that are used when only a few Basic components have a very variable and flexible optical structure allow.

Um die Komponenten des Mikrobanksystems an den Abstandselementen zu fixieren, ist mit Vorteil vorgesehen, daß die Fixiervorrichtung, beispielsweise durch die Komponenten hindurchgeführte Schrauben, die mit dem Abstandshalter zur Anlage bzw. Klemmung kommen, auf der dem Abstandselement zugewandten Seite aus einem weichen Material bestehen.To the components of the microbench system on the spacers fix, it is advantageously provided that the fixing device, for example screws passed through the components and secured with the Spacers come to rest or clamp on the Spacer facing side consist of a soft material.

Eine derartige Ausführungsform verhindert, daß beim Fixieren die Abstandselemente aufgrund der Druckbeanspruchung brechen. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Glaskeramiken als Materialien für die Abstandselemente, beispielsweise dem Zerodur der Fall.Such an embodiment prevents that when fixing the Break spacers due to compressive stress. This is especially when using glass ceramics as materials for the Spacers, for example the Zerodur case.

In einer besonders vorteilhaften Form können die Fixierelemente Schrauben mit einem weichen Schraubenende sein, denkbar sind aber auch Schrauben, die vollständig aus einem weichen Material, beispielsweise einem Kunststoff bestehen.In a particularly advantageous form, the fixing elements can be screws with a soft screw end, but screws are also conceivable, which are made entirely of a soft material, such as a plastic consist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Figuren beispielshaft beschrieben werden.The invention is described below by way of example with reference to the figures become.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 ein System mit mehreren Aufnahmekomponenten und Abstandselementen, das zu einem Mikrobanksystem zusammengebaut ist. Fig. 1 shows a system with several receiving components and spacing elements, which is assembled into a microbench system.

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Komponente für optische und/oder feinmechanische Aufbauten mit mehreren erfindungsgemäßen Abstandselementen. Fig. 2 is a perspective view of a component for optical and / or fine mechanical structures with several spacer elements according to the invention.

Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht und schematischen Darstellung ein Mikrobanksystem umfassend insgesamt drei Haltevorrichtungen 1.1, 1.2 sowie 1.3 für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten. Die einzelnen Haltevorrichtungen 1.1, 1.2, 1.3 sind durch die erfindungsgemäßen Abstandselemente 3.1, 3.2 miteinander verbunden und werden nach Fixierung an diesen, beispielsweise mit Hilfe von Schrauben sowohl in Längsrichtung X wie in Querrichtung Y auf Abstand zu benachbarten Halteeinrichtungen für Komponenten gehalten. Fig. 1 shows a micro-banking system in a top view and schematic representation comprising a total of three holding devices 1.1, 1.2 and 1.3 for components of optical and / or fine-mechanical constructions. The individual holding devices 1.1 , 1.2 , 1.3 are connected to one another by the spacer elements 3.1 , 3.2 according to the invention and, after being fixed thereon, are held at a distance from adjacent holding devices for components both in the longitudinal direction X and in the transverse direction Y, for example with screws.

Die Abstandshalter 3.1, 3.2 sind stabförmig ausgebildet und bestehen aus einem Material mit einer geringen Wärmeausdehnung, vorzugsweise < 5 × 10- 6 K-1, besonders bevorzugt < 0,1 × 10-6 K-1. Die obengenannte Wärmeausdehnung der Materialien bezieht sich auf einen Temperaturbereich von ca. -20 bis +300°C, bevorzugt auf einen Temperaturbereich von 0 bis +50°C. Als besonders bevorzugtes Material mit geringer Wärmeausdehnung kommen insbesondere Glaskeramiken in Betracht, beispielsweise Zerodur der Firma Schott Glas, Mainz. The spacers 3.1, 3.2 are rod-shaped and consist of a material having a low thermal expansion, preferably <5 x 10-6 K -1, particularly preferably <0.1 x 10 -6 K -1. The above-mentioned thermal expansion of the materials relates to a temperature range from approx. -20 to + 300 ° C, preferably to a temperature range from 0 to + 50 ° C. Glass ceramics, for example Zerodur from Schott Glas, Mainz, are particularly suitable as a particularly preferred material with low thermal expansion.

Neben Glaskeramikmaterialien ist auch der Einsatz von Metallegierungen, Keramiken sowie faserverstärkten Kunststoffen möglich. Die faserverstärkten Kunststoffe können sowohl Glasfasern wie Kohlenstoffasern umfassen.In addition to glass ceramic materials, the use of metal alloys, Ceramics and fiber-reinforced plastics possible. The fiber reinforced Plastics can include both glass fibers and carbon fibers.

In Fig. 2 ist eine Halteeinrichtung für eine optische Komponente 10 mit insgesamt vier Abstandshaltern 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 gezeigt. Das Halteelement 10 ist vorliegend eine Fassung mit einer zentrierten Öffnung 14, in die eine optische Komponente, beispielsweise eine Linse eingesetzt werden kann. Die Abstandselemente 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 werden durch insgesamt vier Bohrungen des Halteelementes, die vorliegend nicht dargestellt sind, durchgeführt. Wiederum sind die einzelnen Abstandselemente 12.1, 12.2, 12.3 sowie 12.4 stabförmig ausgebildet und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten geringer als < 5 × 10-6 K-1 im Temperaturbereich von -20 bis +300°C ausgebildet. FIG. 2 shows a holding device for an optical component 10 with a total of four spacers 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 . In the present case, the holding element 10 is a holder with a centered opening 14 , into which an optical component, for example a lens, can be inserted. The spacer elements 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 are carried out through a total of four bores in the holding element, which are not shown here. Again, the individual spacer elements 12.1 , 12.2 , 12.3 and 12.4 are rod-shaped and made of a material with a coefficient of thermal expansion less than <5 × 10 -6 K -1 in the temperature range from -20 to + 300 ° C.

Die als Stäbe ausgebildeten Abstandselemente, die bevorzugt aus einer Glaskeramik mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, werden durch Herausbohren aus einem Glaskeramikblock, anschließendes Rundbearbeiten bei dem die Einspannung spitzenlos erfolgt und insoweit ein Abdrehen auf Maß mit einer Genauigkeit < 50 µm, bevorzugt < 10 µm möglich ist, hergestellt. Erst eine derart genaue Bearbeitung erlaubt den Einsatz von Glaskeramikmaterialien zur Herstellung von Abstandselementen, die den Anforderungen an die Paßgenauigkeit für einen optischen und/oder feinmechanischen Aufbau erfüllen.The spacer elements designed as rods, which preferably consist of a Glass ceramic with a low coefficient of thermal expansion, are made by drilling out of a glass ceramic block, subsequent Round machining in which the clamping is centerless and so far Calibrate to measure with an accuracy of <50 µm, preferably <10 µm is possible. Only such precise processing allows the Use of glass ceramic materials for the production of spacer elements, which meet the requirements for accuracy of fit for an optical and / or meet precision mechanical construction.

Der Durchmesser der einzelnen als Abstandselemente ausgebildeten Stäbe beträgt ca. 6 cm, die Bohrung 14 für die Fassung weist einen Durchmesser von ca. 25 bis 35 cm auf.The diameter of the individual rods designed as spacer elements is approximately 6 cm, the bore 14 for the socket has a diameter of approximately 25 to 35 cm.

Die Fixierung der Abstandselemente 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 erfolgt mit Hilfe von in die Halteeinrichtung 10 eingetretenen Schrauben 16 durch Kraftschluß. Um zu verhindern, daß aufgrund der kraftschlüssigen Verbindung von Schraube 16 und Abstandselement 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 eine Beschädigung, insbesondere ein Bruch des Abstandselementes auftritt, sind die Schrauben in dem Bereich, in dem die Schraube mit dem Abstandselement zur Anlage kommt, aus einem weichen Material ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Schrauben 16 vollständig aus einem weichen Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial wie Polyethylen oder Teflon.The fixing of the spacer elements 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 takes place with the aid of screws 16 which have entered the holding device 10 by frictional engagement. In order to prevent damage, in particular a breakage of the spacer element, due to the non-positive connection of screw 16 and spacer element 12.1 , 12.2 , 12.3 , 12.4 , the screws are in the area in which the screw comes into contact with the spacer element a soft material. The screws 16 are particularly preferably made entirely of a soft material, for example a plastic material such as polyethylene or Teflon.

Bevorzugt sind die Kunststoffschrauben als Rändel-Schrauben ausgebildet.The plastic screws are preferably designed as knurled screws.

Alternativ zur Ausbildung als Kunststoffschrauben können bei der Verwendung von Glaskeramik-Abstandshaltern auch Metallschrauben zum Einsatz gelangen, allerdings müssen diese dann mit Drehmomentschraubenziehern angezogen werden, um die auf den Abstandshalter wirkende Kraft zu begrenzen und somit der Bruchgefahr zu begegnen.Alternatively to training as plastic screws you can use of glass ceramic spacers also metal screws are used arrive, however, these must then with torque screwdrivers to be tightened to the force acting on the spacer limit and thus counter the risk of breakage.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abstandselemente in Systembaukästen für optische und/oder feinmechanische Aufbauten Verwendung finden. Dies ermöglicht zum einen einen flexiblen und kostengünstigen Aufbau. Mit der Erfindung ist erstmals für einen derartigen kostengünstigen Aufbau die Herstellung einer temperaturinvarianten Präzisionsfixierung möglich, der die wirtschaftlichen Vorteile eines Systembaukastens mit den technischen Vorteilen der Materialeigenschaften verbindet.It is particularly advantageous if the spacer elements in modular system for optical and / or precision mechanical structures. This on the one hand enables a flexible and inexpensive construction. With the The invention is the first for such an inexpensive structure Production of a temperature-invariant precision fixation possible, the economic advantages of a modular system with the technical Advantages of the material properties.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines stabförmigen Abstandselementes aus Glaskeramik, insbesondere Zerodur, mit einer Wärmeausdehnung < 5 × 10-6 K-1 für eine Haltevorrichtung für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten umfassend folgende Schritte:
  • - Ausbohren der Abstandselemente aus einem Glaskeramikblock
  • - Einspannen der ausgebohrten Abstandselemente in eine Rundiermaschine, wobei eine Fixierung des eingespannten Gegenstandes von beiden Enden her spitzenlos erfolgt, derart, daß ein Abdrehen auf Maß mit einer Genauigkeit < 50 µm, insbesondere < 10 µm möglich ist,
  • - Ablängen des Abstandselementes und Facettierung seiner Enden.
1. A method for producing a rod-shaped spacer made of glass ceramic, in particular Zerodur, with a thermal expansion of <5 × 10 -6 K -1 for a holding device for components of optical and / or precision mechanical structures, comprising the following steps:
  • - Drilling out the spacer elements from a glass ceramic block
  • - Clamping the drilled-out spacer elements in a rounding machine, the clamped object being fixed without a tip from both ends, in such a way that twisting off to size is possible with an accuracy of <50 µm, in particular <10 µm,
  • - Cutting the spacer and faceting its ends.
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